WO2009030612A1 - Integriertes sensormodul - Google Patents

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WO2009030612A1 PCT/EP2008/061181 EP2008061181W WO2009030612A1 WO 2009030612 A1 WO2009030612 A1 WO 2009030612A1 EP 2008061181 W EP2008061181 W EP 2008061181W WO 2009030612 A1 WO2009030612 A1 WO 2009030612A1
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housing
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recess
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Josef Loibl
Christoph Schikora
Thomas Preuschl
Hermann-Josef Robin
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Continental Automotive Gmbh
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    • H05K2203/302—Bending a rigid substrate; Breaking rigid substrates by bending

Definitions

  • the invention relates to an integrated sensor module for mechatronic components according to the preamble of patent claim 1 and to a method for producing an integrated sensor module, in particular for gear or motor controls in the automotive industry.
  • Integrated mechatronics in particular control electronics, which are used directly on site, for example in a transmission or in an engine, are subject to a large number of environmental requirements.
  • control electronics which are used directly on site, for example in a transmission or in an engine
  • the increased operating temperatures and the chemically aggressive environment of the engine or transmission oil are in the foreground. Therefore, it is essential that the sensitive electronics and sensors are protected as far as possible from these influences.
  • the conception of the control electronics on the one hand and the connected peripheral components such as sensors or valves on the other hand represent a major challenge.
  • peripheral components such as the actuators and sensors
  • peripheral components such as sensors and sensors
  • Akuatoren arranged in a carrier, which is based in its geometry on the specifications of the existing gear room. In most cases, this results in a complex construction of the carrier, which comprises the receptacles for the individual housed sensors and for the actuators in a three-dimensional structure and at the same time has a capped central control unit with electronic components.
  • the connection between the control unit and peripheral components is made by means of flexible or rigid printed circuit boards or with punched grids.
  • DE 101 16 796 A1 describes in a further development of a control unit of the German utility model DE 295 13 950 U1 a concept for the integration and sealing of a pressure sensor in a transmission control unit.
  • the sensor is inserted directly into the hydraulic plate. Therefore, it is possible to dispense with a seal between a base plate of the electronics compartment and the hydraulic plate.
  • WO 02/06651 A2 it is proposed to provide a receiving space for accommodating a pressure sensor or a pressure switch in a wall of the control unit housing.
  • the opening region of the bottom plate has a stepped cross-sectional shape.
  • the opening is made by an integral, in the
  • Opening area protruding annular retaining projection narrows.
  • the retaining projection engages in a circumferential groove of a molded seal, which is inserted into the opening.
  • the object of the invention is therefore to provide a simplified concept for an integrated sensor module for mechatronics, which allows a smaller space and a less expensive installation while improving the connection to the signal and power distribution component.
  • an integrated sensor module for mechatronics comprising at least one sensor element, at least one housing and at least one rigid printed circuit board, in which the sensor element by means of a bendable tab produced by milling
  • Printed circuit board is arranged above a recess in the circuit board and electrically connected, that the housing completely surrounds the sensor element and is fixed on the circuit board.
  • the housing of the sensor element may preferably be made of plastic or aluminum shells.
  • In the interior of the housing may preferably be a sensor element which is cast or stored in a familiar to the expert medium.
  • the housing no longer has an opening from which the sensor electronics can project with the contacting points, since the contacting can be carried out directly within the housing.
  • the housing may preferably be fixed on the printed circuit board by caulking, gluing and / or soldering.
  • the attachment surface of the housing may project beyond the recess in the circuit board.
  • the housing can preferably according to the invention have a circumferential projection.
  • the projection is at least dimensioned so that it is larger than the recess of the circuit board.
  • an axial seal can be arranged, which can be designed in particular as an O-ring seal.
  • the housing may have a pressure sensing opening for acting on the sensor element used as a pressure sensor.
  • the modular structure of the housing on the one hand and the sensor unit arranged therein on the other hand also allow a cost-effective and flexible adaptation of the component to different specifications.
  • the concept according to the invention ensures that a simple geometry of the electronic components for integrated mechatronics can be maintained.
  • the assembly can be greatly simplified. According to the invention eliminates the need for long, custom-fit leads to the peripheral sensors punched grid or expensive flexible circuit board.
  • the recess in the printed circuit board may preferably have a simple punching geometry.
  • a simple assembly can be ensured, in addition, a good stability and rigidity of the same used as a carrier and as a signal and power distribution component rigid printed circuit board (PCB) is ensured.
  • An integrated sensor module for mechatronics according to the invention can be produced by the steps:
  • the housing is fixed above the recess such that the attachment surface of the housing projects beyond the recess of the printed circuit board.
  • the housing is fixed in a further preferred embodiment of the method according to the invention by means of caulking, gluing and / or soldering on the circuit board.
  • An integrated sensor module for mechatronic systems according to the invention can be used particularly preferably as part of an integrated mechatronics, in particular in transmissions and / or in motors, in the automobile industry.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of an inventive integrated sensor module 1 for mechatronics.
  • the entire sensor component may comprise a substantially cylindrical housing 3 and a sensor element 4.
  • the housing 3 may for example consist of two plastic shells be composed, which have a circumferential projection 8.
  • the housing is fixed on the circuit board 5 such that it projects beyond the recess 7 with its attachment surface.
  • the fixation of the housing 3 on the circuit board 5 can be done for example by means of hot caulking and / or gluing.
  • the sensor element 4 which in the present case is preferably connected via connecting pins 2 to the upwardly bent tab 6 of the printed circuit board 5.
  • the bendable tab 6 of the printed circuit board 5 can be produced by deep milling a corresponding area of the printed circuit board.
  • the functions of the carrier and at the same time the signal and power distribution are taken over by the rigid printed circuit board (PCB).
  • the attachment of sensor elements is facilitated thereby.
  • the inventive concept ensures that a simple geometry of the electronic components for integrated mechatronics can be maintained.
  • the assembly can be greatly simplified. According to the invention eliminates the need for long, custom-fit leads to the peripheral sensors punched grid or expensive flexible circuit board.
  • Mechatronics can be used advantageously in a temperature range from -40 0 C to +180 0 C.

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Abstract

Zusammenfassend wird aufgrund des integrierten Sensormoduls (1) für Mechatroniken die Anbringung und elektrische Anbindung von Sensorelementen erleichtert. Die erfindungsgemäße Anordnung der gehäusten Sensorkomponente direkt auf der Leiterplatte (5) ist aufgrund der durch Fräsen erzeugten biegbaren Lasche (6) und deren Anbindung an das Sensorelement (6) besonders bevorzugt. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Konzept sichergestellt, dass eine einfache und stabile Geometrie der Ausnehmung in der Leiterplatte (5) beispielsweise durch Stanzen eingehalten werden kann.

Description

Beschreibung
Integriertes Sensormodul
Die Erfindung betrifft ein integriertes Sensormodul für me- chatronische Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Sensormoduls, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
Stand der Technik
Integrierte Mechatroniken, das heißt insbesondere Steuerelektroniken, die direkt vor Ort beispielsweise in einem Ge- triebe oder in einem Motor eingesetzt werden, unterliegen einer Vielzahl von umgebungsabhängigen Anforderungen. Neben der Langzeitstabilität und Ausfallsicherheit der Steuerung stehen die erhöhten Betriebstemperaturen sowie die chemisch aggressive Umgebung des Motor- oder Getriebeöls im Vordergrund. Da- her ist es unerlässlich, dass die empfindlichen Elektroniken und Sensoren soweit wie möglich vor diesen Einflüssen geschützt werden. Gerade die Konzeption der Steuerelektronik einerseits und der angebundenen peripheren Komponenten wie Sensoren oder Ventile andererseits stellen eine große Heraus- forderung dar.
Es sind verschiedene Konzepte bekannt, die Anbindung der Peripherie-Komponenten wie beispielsweise der Aktuatoren und Sensoren an die zentrale Steuerelektronik herzustellen. Generell werden die peripheren Komponenten wie Sensoren und
Akuatoren in einem Träger angeordnet, der sich in seiner Geometrie an den Vorgaben des vorhandenen Getrieberaums orientiert. Meist ergibt sich auf diese Weise ein komplexer Aufbau des Trägers, der in einer dreidimensionalen Struktur die Auf- nahmen für die einzelnen gehäusten Sensoren sowie für die Aktuatoren umfasst und gleichzeitig eine verdeckelte zentrale Steuerungseinheit mit elektronischen Bauteilen aufweist. Die Verbindung zwischen Steuereinheit und peripheren Komponenten wird mittels flexiblen oder starren Leiterplatten oder mit Stanzgittern hergestellt.
Die DE 101 16 796 Al beschreibt daneben in einer Weiterbil- düng eines Steuergeräts des deutschen Gebrauchsmusters DE 295 13 950 Ul ein Konzept zur Integration und Abdichtung eines Drucksensors in einer Getriebesteuereinheit. Der Sensor wird hier unmittelbar in die Hydraulikplatte eingesetzt. Daher kann auf eine Dichtung zwischen einer Grundplatte des Elekt- ronikraums und der Hydraulikplatte verzichtet werden. Zudem wird beschrieben, dass durch ein Verstemmen oder Einpressen des Sensors in die Hydraulikplatte ferner eine Dichtung zwischen der Wand der Öffnung in der Hydraulikplatte und dem Sensor eingespart werden kann.
Nachteilig ist jedoch, dass sich dieses Konzept nur mit relativ dicken Hydraulikplatten realisieren lässt, da der gesamte Sensoraufbau in der Hydraulikplatte aufgenommen sein muss. Darüber hinaus kann sich die Kontaktierung des Sensors mit der zentralen Steuerelektronik schwierig gestalten, da diese entweder vor Einsetzen des Sensors in die Hydraulikplatte vorgenommen werden muss oder nach dem Einsetzen des Sensors von oben durch die Öffnung der Hydraulikplatte stattfindet. Beide Alternativen sind als aufwendig und fehleranfällig zu bewerten. Zudem kann beim Einsetzten des Sensors oder bei den nachfolgenden Schritten der Kontaktierung und Verstemmung im dargestellten Konzept leicht eine Dekalibrierung oder gar eine Beschädigung der Sensierungskomponenten eintreten.
Gemäß der WO 02/06651 A2 wird vorgeschlagen, einen Aufnahmeraum zur Unterbringung eines Drucksensors oder eines Druckschalters in einer Wandung des Steuergerätegehäuses vorzusehen. Zur Abdichtung weist der Öffnungsbereich der Bodenplatte eine gestufte Querschnittsform auf. An der Unterseite der Bo- denplatte wird die Öffnung durch einen integralen, in den
Öffnungsbereich vorstehenden ringförmigen Haltevorsprung verengt. Der Haltevorsprung greift in eine Umfangsnut einer Formdichtung ein, welche in die Öffnung eingesetzt ist. Nachteilig an einer solchen Abdichtungskonstruktion ist neben der mangelnden Flexibilität in der Ausgestaltung des Sensors vor allem die Tatsache, dass eine speziell ausgestaltete Formdichtung eingesetzt werden muss. Auf diese Weise ist auch eine spezielle geometrische Ausgestaltung des Öffnungsbereichs in der Bodenplatte notwendig. Hinzu tritt der Nachteil, dass keine zusätzlichen mechanischen Kräfte erzeugt werden, um das untere Abdichtungselement stetig gegen die Formdichtung zu drücken und auf diese Weise eine dauerhaft sichere Abdichtung zu erzielen.
Das trifft auch für die in den Druckschriften DE 198 30 538 Al und DE 198 34 212 Al beschriebenen Konzepte zu. Obwohl in der DE 198 34 212 Al eine druckdichte und kraftschlüssige
Verbindung des Drucksensorträgers mit der Bodenplatte durch Materialverdrängung erzielt wird, kann dies keine Verbesserung der Abdichtung der Öffnung in der Bodenplatte und der zugleich gezeigten Hydraulikplatte herbeiführen. Diese Ab- dichtung wird weiterhin nur durch die dargestellte axiale
(Form-) Dichtung ohne weitere Sicherungsmechanismen vorgesehen. Zudem ist auch hier eine geometrisch abgestimmte Öffnung in der Bodenplatte der Elektronikeinheit notwendig.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes Konzept für ein integriertes Sensormodul für Mechatroniken bereit zu stellen, das einen verkleinerten Bauraum und eine weniger aufwendige Montage erlaubt bei gleichzeitig verbesserter Anbindung an die Signal- und Stromverteilungskomponente.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Herstel- lung einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 6 erreicht. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung . Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein integriertes Sensormodul für Mechatroniken umfassend mindestens ein Sensorelement, mindestens ein Gehäuse und mindestens eine starre Leiterplatte zur Verfügung zu stellen, bei dem das Sensorelement mittels einer durch Fräsen erzeugten biegbaren Lasche der
Leiterplatte über einer Ausnehmung in der Leiterplatte so angeordnet und elektrisch verbunden ist, dass das Gehäuse das Sensorelement gänzlich umschließt und auf der Leiterplatte fixiert ist.
Das Gehäuse des Sensorelements kann bevorzugt aus Kunststoffoder Aluminium-Schalen gefertigt sein. Im Inneren des Gehäuses kann sich bevorzugt ein Sensorelement befinden, das in einem dem Fachmann geläufigen Medium eingegossen beziehungs- weise gelagert ist. Besonders bevorzugt weist das Gehäuse o- ben keine Öffnung mehr auf, aus der die Sensorelektronik mit den Kontaktierungsstellen herausragen kann, da die Kontaktie- rung innerhalb des Gehäuses direkt vorgenommen werden kann.
Das Gehäuse kann bevorzugt mittels Verstemmen, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte fixiert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Aufsatzfläche des Gehäuses die Ausnehmung in der Leiterplatte überragen. Im unteren Bereich kann das Gehäuse bevorzugt erfindungsgemäß einen umlaufenden Vorsprung aufweisen. Der Vorsprung ist mindestens so dimensioniert, dass er größer als die Ausnehmung der Leiterplatte ist. Auf diesem Vorsprung kann eine axiale Dichtung angeordnet sein, die ins- besondere als O-Ringdichtung ausgeführt sein kann.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Gehäuse eine Druckerfassungsöffnung zur Beaufschlagung des als Drucksensor eingesetzten Sensorelements aufweisen.
Der modulare Aufbau aus dem Gehäuse einerseits und der darin angeordneten Sensoreinheit andererseits erlauben zudem eine kostengünstige und flexible Anpassung des Bauteils an unterschiedliche Vorgaben.
Gerade im Hinblick auf solche integrierten Sensormodule für Mechatroniken, die aggressiven Medien ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise in Getrieben und in Motoren vorherrschen, wird zudem eine generell einfache Möglichkeit zur Montage der Sensorkomponenten und eine Verkleinerung des Bauraums der Me- chatronik gewährleistet.
So ist es mit einem erfindungsgemäßen integrierten Sensormodul möglich, eine sehr kompakte Bauweise der Sensoreinheit und ihrer elektrischen Anbindung zu realisieren.
Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Konzept sichergestellt, dass eine einfache Geometrie der elektronischen Bauteile für integrierte Mechatroniken eingehalten werden kann. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen der Sensoren im Träger kann die Montage stark vereinfacht werden. Erfindungsgemäß entfällt die Notwendigkeit der langen, passgenauen Zuleitungen zu den peripheren Sensoren aus Stanzgitter oder teurer flexibler Leiterplatte.
Bevorzugt kann daneben die Ausnehmung in der Leiterplatte ei- ne einfache Stanz-Geometrie aufweisen. So kann eine einfache Montage gewährleistet werden, wobei zusätzlich eine gute Stabilität und Steifigkeit der gleichermaßen als Träger und als Signal- und Stromverteilungskomponente eingesetzten starren Leiterplatte (PCB) sichergestellt wird.
Ein erfindungsgemäßes integriertes Sensormodul für Mechatroniken kann hergestellt werden, indem die Schritte:
— Fräsen einer biegbaren Lasche und Stanzen einer Ausnehmung in eine starre Leiterplatte, — Anbinden des Sensorelements (4) an die biegbare Lasche der Leiterplatte mittels Löten und/oder Schweißen, - Anbringen des Gehäuses an dem Sensorelement, so dass das Sensorelement und die biegbare Lasche gänzlich von dem Gehäuse umschlossen werden und
- Fixieren des Gehäuses an der Leiterplatte ausgeführt werden.
Bevorzugt wird das Gehäuse derart oberhalb der Ausnehmung fixiert, dass die Aufsatzfläche des Gehäuses die Ausnehmung der Leiterplatte überragt.
Das Gehäuse wird in einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels Verstemmen, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte fixiert.
Auf diese Weise wird eine ausreichende Abdichtung des Sensorelements und der Kontaktstellen der biegbaren Lasche gegenüber Umgebungseinflüssen wie Öl und darin enthaltene Kontamination erzielt.
Ein erfindungsgemäßes integriertes Sensormodul für Mechatro- niken kann besonders bevorzugt als Bestandteil einer integrierten Mechatronik, insbesondere in Getrieben und/oder in Motoren, in der Automobilindustrie verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von einer Ausführungsvariante in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
In dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes integriertes Sensormodul 1 für Mechatroniken .
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung das erfindungsgemäße integrierte Sensormodul für Mechatroniken 1. Die gesamte Sensorkomponente kann ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 3 und ein Sensorelement 4 umfassen. Das Gehäuse 3 kann beispielsweise aus zwei Kunststoffschalen zusammengesetzt sein, die einen umlaufenden Vorsprung 8 aufweisen. Das Gehäuse ist auf der Leiterplatte 5 derart fixiert, dass es mit seiner Aufsatzfläche die Ausnehmung 7 ü- berragt. Die Fixierung des Gehäuses 3 auf der Leiterplatte 5 kann beispielsweise mittels Heißverstemmen und/oder Kleben erfolgen. Innerhalb des Gehäuses 3 befindet sich das Sensorelement 4, das vorliegend bevorzugt über Anschlusspins 2 an die nach oben gebogene Lasche 6 der Leiterplatte 5 angeschlossen ist. Die biegbare Lasche 6 der Leiterplatte 5 kann durch Tiefenfräsen eines entsprechenden Bereichs der Leiterplatte erzeugt werden.
Zusammenfassend werden aufgrund des integrierten Sensormoduls für Mechatroniken die Funktionen des Trägers und gleichzei- tig der Signal- und Stromverteilung von der starren Leiterplatte (PCB) übernommen. Zudem wird dadurch die Anbringung von Sensorelementen erleichtert. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Konzept sichergestellt, dass eine einfache Geometrie der elektronischen Bauteile für integrierte Me- chatroniken eingehalten werden kann. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen der Sensoren im Träger kann die Montage stark vereinfacht werden. Erfindungsgemäß entfällt die Notwendigkeit der langen, passgenauen Zuleitungen zu den peripheren Sensoren aus Stanzgitter oder teurer flexibler Leiterplatte.
Durch einen standardisierten Aufbau kann weiterhin eine erleichterte Qualitätskontrolle und damit eine erhebliche Fehlerreduktion solcher Bauteile erzielt werden. Elektronikgerä- te mit den erfindungsgemäßen integrierten Sensormodulen für
Mechatroniken können vorteilhafter Weise in einem Temperaturbereich von -40 0C bis +180 0C verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Integriertes Sensormodul (1) für eine Mechatronik umfassend mindestens ein Sensorelement (4), mindestens ein Gehäuse (3) und mindestens eine starre Leiterplatte (5) dadu r ch ge ke nn z e i chne t , da s s das Sensorelement (4) mittels einer durch Fräsen erzeugten biegbaren Lasche (6) der Leiterplatte über einer Ausnehmung (7) in der Leiterplatte (5) so angeordnet und elektrisch verbunden ist, dass das Ge- häuse (3) das Sensorelement (4) gänzlich umschließt und auf der Leiterplatte (5) fixiert ist.
2. Integriertes Sensormodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) aus Kunststoff- und/oder Aluminiumschalen zusammengesetzt ist.
3. Integriertes Sensormodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) mittels Verstem- men, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte (5) fixiert ist.
4. Integriertes Sensormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung
(7) in der Leiterplatte eine einfache Stanz-Geometrie auf- weist.
5. Integriertes Sensormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufsatzfläche des Gehäuses (3) die Ausnehmung (7) in der Leiterplatte (5) überragt.
6. Verfahren zur Herstellung eines integrierten Sensormoduls (1) für eine Mechatronik, ge ke nn z e i chne t du rch die Schritte: — Fräsen einer biegbaren Lasche (6) und Stanzen einer Ausnehmung in eine starre Leiterplatte (5) , - Anbinden des Sensorelements (4) an die biegbare Lasche
(6) der Leiterplatte (5) mittels Löten und/oder Schweißen,
- Anbringen des Gehäuses (3) an dem Sensorelement (4), so dass das Sensorelement (4) und die biegbare Lasche (6) gänzlich von dem Gehäuse umschlossen werden und
- Fixieren des Gehäuses (3) an der Leiterplatte (5) .
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) derart oberhalb der Ausnehmung (7) fixiert wird, dass die Aufsatzfläche des Gehäuses (3) die Ausnehmung (7) der Leiterplatte (5) überragt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Gehäuse (3) mittels Verstemmen, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte (5) fixiert wird.
9. Verwendung eines integrierten Sensormoduls für Mechatro- niken (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Bestandteil einer integrierten Mechatronik, insbesondere in Getrieben und/oder in Motoren in der Automobilindustrie.
PCT/EP2008/061181 2007-09-06 2008-08-27 Integriertes sensormodul WO2009030612A1 (de)

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